Práctica 6

ELECTROTECNIA
PRÁCTICA nº 6
MÁQUINAS ROTATIVAS: FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR.
MOTOR TRIFÁSICO DE INDUCCIÓN.
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN MOTOR
MONOFÁSICO Y EN MOTOR TRIFÁSICO.
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PRÁCTICA 6
MÁQUINAS ROTATIVAS: FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR. MOTOR
TRIFÁSICO DE INDUCCIÓN.
CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA EN MOTOR MONOFÁSICO Y EN
MOTOR TRIFÁSICO.
1.- OBJETO.
En esta práctica se pretende:
1º.- Estudiar el motor trifásico de inducción por ser uno de los motores más utilizados en la
actualidad, aunque se dará en primer lugar algunas consideraciones del motor universal
utilizado también en bastantes ocasiones. Concretamente en el motor trifásico se pretende:
a.- Estudiar las conexiones estrella y triángulo.
b.- Ver lo que ocurre en el momento de arranque del motor.
c.- Cambiar el sentido de giro del motor.
d.- Conocer nueva aparamenta que se utiliza con estos receptores para ayudar en su
maniobra, regulación y protección.
2º.- Medir el factor de potencia de :
a.- Un motor monofásico.
b.- Un motor trifásico funcionando en estrella y en triángulo.
Y corregirlo con diversas asociaciones de condensadores, viendo así cual de ellas puede ser la
más conveniente.
2. INTRODUCCIÓN
2.1. Introducción a la máquinas rotativas funcionando como motor
2.1.1. Motor universal.
El motor universal es fundamentalmente una máquina de c.c. serie. Como sabemos, toda
máquina de corriente continua lleva un elemento rectificador que recibe el nombre de colector.
Hay que aclarar que algunas máquinas de corriente alterna también disponen de colector, con el
fin de participar de las ventajosas características de regulación que presentan las máquinas de
corriente continua. Pensemos en cómo trabajan ciertas máquinas herramientas y
electrodomésticos, por ejemplo, un taladro. La potencia de corte de la broca mayor que acepta
es:
Pmáx = Π × D × n
Siendo:
Pmáx: potencia de corte máxima.
D: diámetro broca.
n: velocidad de corte.
Cuando pongamos otra broca menor, la velocidad de corte será superior. Resulta pues, que con
una máquina serie en una de estas herramientas no tenemos necesidad de regular la velocidad,
ya que ella sola se autoregula.
Luego, tanto en tracción como pequeñas máquinas de la industria y el hogar, pulidoras, taladros,
molinillos, ventiladores, máquinas de afeitar, etc., el motor serie presenta más ventajas que
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inconvenientes. Sin embargo, en tracción con largas distancias se tiene el grave inconveniente
de transporte de potencia en corriente continua. que, como se sabe, no es rentable, prefiriéndose
el transporte en corriente alterna. y su posterior rectificación. Pero hace algún tiempo esto no era
posible, por lo que los ferrocarriles utilizaron y utilizan, aun hoy, máquinas de corriente alterna.
con colector de inducido en serie. En el caso particular del motor monofásico con colector se
obtiene el motor universal, llamado así porque puede utilizarse con corriente alterna. o corriente
continua.
2.1.2.Motor trifásico de inducción.
Este tipo de motor es el más utilizado en la industria por su sencillez constructiva, su gran
eficacia y su fácil mantenimiento.
El principio de funcionamiento de estos motores, es el principio de inducción electromagnética,
en virtud del cual al aplicar o alimentar, por un sistema trifásico de corrientes alternas
sinusoidales de baja frecuencia, a tres bobinas situadas en el estator y desfasadas 120°
eléctricos, se crea un campo magnético giratorio en el circuito magnético de la máquina. Este
campo magnético giratorio induce fuerzas electromotrices en los conductores del rotor,
constituido por barras conductoras y dos aros (aluminio o cobre) en forma de jaula, que al estar
en cortocircuito dan lugar a la circulación de corrientes de cortocircuito en dicho rotor, (ver
figura) las cuales a su vez originan un par que trata de oponerse a la causa que lo produce (ley
de Lenz), haciendo girar al rotor con una velocidad muy próxima a la del campo magnético
creado en el estator.
U
Z
V
X
W
Y
Figura 1. Esquema de motor asíncrono
Designando por n la velocidad del rotor, ns a la del campo giratorio (velocidad de sincronismo)
y por s el deslizamiento de la máquina que es la diferencia porcentual entre ambas, se tiene:
s=
ns − n
n×p
= 1−
ns
60 × f
donde: - p es el número de pares de polos de la máquina
- f es la frecuencia de la red.
Cuando el deslizamiento varía también el consumo varía. Por ejemplo, para una máquina de 4
polos que, conectada a una red de 50 Hz, girase a 1450 rpm. se tendría un deslizamiento del
3'333 % . Si cargamos la máquina el deslizamiento aumenta, el campo aumenta, la fuerza
electromotor generada en el rotor aumenta, la corriente inducida aumenta y el consumo
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aumenta. En el arranque el deslizamiento vale 1, el consumo es fuerte y de ahí que las
compañías puedan exigir y a los particulares puedan interesar sistemas especiales para arrancar
estos motores con carga a partir de ciertas potencias. Estos sistemas consistirán en actuar sobre
el circuito del estator, reduciendo la tensión de alimentación en el arranque. Ello se puede
conseguir con el arranque en estrella/triángulo, con el arranque por autotransformador o con el
arranque por resistencias.
Si la máquina, arrastrada por una causa externa, superase la velocidad de sincronismo,
obtendríamos un deslizamiento negativo y, como consecuencia, se produciría un
funcionamiento como generador (hipersincronismo). Esta circunstancia se aprovecha en las
grúas como servicio de frenado. Sin embargo, el uso casi exclusivo de estas máquinas es como
motor: deslizamiento positivo (s>0) y así vamos a considerarlo en esta práctica.
En la figura 2 se representan las partes que principalmente constituyen un motor asíncrono.
Figura 2. Estructura motor asíncrono
Conexión del motor trifásico en estrella y triángulo. Conexionado de protección.
Los motores trifásicos de jaula se fabrican para dos tensiones, por ejemplo 220/380 V. Esto
quiere decir que la potencia del motor y su par de arranque nominales están calculados para la
tensión más alta cuando se conecta en estrella y para la más baja cuando se hace en triángulo.
La más frecuente es 380/660 V. y cada vez más, en instalaciones aisladas, como p.e. una EDAR,
los motores serán para una sola tensión y arranque directo. Así pues, la placa de bornas de estos
motores dispone tanto de los principios como de los finales de cada bobinado, estando
internacionalmente normalizadas sus designaciones, así como su situación. Los principios se
designan por U, V y W, mientras que los respectivos finales por X, Y y Z. Obsérvese que, en la
figura 3.11 en las placas de bornas se desplaza la borna final X a la segunda posición para
facilitar la conexión en triángulo mediante puentes verticales. La conexión en estrella se hace
mediante puentes horizontales en los finales de las bobinas según se puede observar.
U
a)
Z
V
X
W
U
Y
b)
Z
V
X
W
Y
Figura 3 Conexión de un motor trifásico en a) estrella y b) triángulo
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Arranque directo e inversión de giro del motor trifásico.
Para invertir el sentido de la marcha en estos motores basta con cambiar el orden de dos fases a
la entrada del motor. Así, si R, S y T tienen una secuencia que unidas a U, V y W hacen girar en
sentido horario al motor (figura 4), las combinaciones S, R y T o R, T y S lo harán girar en
sentido antihorario (figura 5).
R
U
Z
S
V
X
T
S
W
U
Y
Z
Figura 4. Motor en estrella en sentido horario
antihorario
R
V
X
T
W
Y
Figura 5. Motor en estrella en sentido
Cuando el mando de uno de estos motores es automático hay que tener presente el orden de
sucesión de fases para no producir averías y situar los contactores de inversión delante de los de
arranque estrella-triángulo.
Por otra parte, la elevada intensidad de arranque consumida por estos motores hace que sean
necesarias protecciones especiales para esta fase inicial. La protección magnética de máxima
intensidad no vale para estos motores por cuanto en el arranque se tienen consumos de hasta 7
veces el nominal, sin embargo, sí vale la protección térmica (bimetal) ya que el tiempo que
transcurre hasta alcanzar la intensidad de régimen es muy corto. Las compañías exigen, cuando
el motor es de considerable potencia ( más de 4 ó 5 CV ) conexionados de arranque suave. En
nuestro caso, dada la pequeña potencia del motor, podemos arrancarlo directamente en triángulo
a una red de 220V. o en estrella a una de 380V.
2.1.3. Aparamenta.
Nos referimos aquí a la aparamenta que nos permitirá aplicar o interrumpir las magnitudes
eléctricas en juego, como pueden ser, además de los interruptores y conmutadores, ya
conocidos, los pulsadores, contactores y relés, así como los relés térmicos y los guardamotores.
Pulsadores.- Son mecanismos destinados a abrir o cerrar circuitos solamente durante el tiempo
que se mantienen presionados. Están constituidos por un botón aislante solidario con uno o
varios contactos que se mantienen en una determinada posición (abiertos o cerrados) gracias a
un resorte antagonista que, al ser presionado, cede y origina la inversión de los contactos.
Figura 6. Pulsador
Contactores y relés.
Son interruptores gobernados a distancia por la actuación de una bobina que acciona un núcleo
de hierro (electroimán) al que van solidariamente unidos, mecánicamente, dos tipos de
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contactos. Los contactos principales o de fuerza, que estarán en el circuito de potencia o de
fuerza motriz y los contactos auxiliares o de maniobra, con funciones de mando, control y
enclavamiento. La bobina hace pasar a los contactos de su posición de reposo a la de trabajo
cuando se le aplica la tensión correspondiente, es decir, cuando se cierra el circuito de la bobina.
Los contactos de fuerza, en reposo, siempre estarán abiertos, mientras que de los de maniobra,
siempre habrá en reposo, al menos, dos normalmente abiertos y dos normalmente cerrados.
Contactores que no conectan potencia y por ello no disponen de contactos de fuerza, se
denominan "contactores auxiliares" o relés. y sirven exclusivamente para funciones de mando,
control y enclavamiento. A veces degeneran en relés de tiempo, relés de protección, etc.
En la figura se representa el esquema del contactor que va a utilizarse en las prácticas, con
intensidad de empleo de cargas no inductivas de 10 A., y con una potencia admisible de 2'2 KW
ó 3 CV. Los terminales numerados 1-2, 3-4 y 5-6 corresponden a los contactos principales, los
numerados 9-10 y 11-12 a los contactos auxiliares y los terminales A-B corresponden a la
bobina.. Cuando a la bobina se le aplica tensión todos los contactos pasan de su posición de
reposo a la de trabajo. Para cerrar el circuito de mando pueden emplearse alguno de los métodos
comentados anteriormente. Es interesante en los esquemas representar aparte el circuito de
mando, con lo que se consigue simplificar el diagrama, no entrecruzando líneas de los circuitos
de potencia y mando. Al lado de cada dispositivo se señala la denominación del órgano al que
pertenece (Figura 7).
Figura 7. Representación de un contactor.
(a)
(b)
(c)
Figura 8. Esquema de un contactor (a); contactor unido a un relé térmico (b) (conjunto
guardamotor) y (c) relé.
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Veamos ahora, sobre esquemas, algunos conceptos que se manejarán más tarde en la técnica de
control, regulación y mando. Se denomina contacto de retención a un contacto normalmente
abierto que se conecta en paralelo con el pulsador de arranque (figura 9), A, Como su función es
la de seguir alimentando (reteniendo) a la bobina del contactor, cuando deja de accionarse el
pulsador, también se le conoce como contacto de realimentación. Obsérvese que en la
representación del esquema de mando se prescinde de los contactos principales. Con ello
conseguimos separar el circuito principal (o de fuerza) del circuito de mando, lo que da mayor
claridad al esquema. Nótese también que conectamos el extremo "a" de la bobina (que no se une
a elementos de mando) al neutro. De esta forma no quedará bajo tensión cuando el circuito de
mando esté abierto y se evitarán así, tanto derivaciones en caso de fallo de aislamiento, como
accidentes, además de alargar la vida de la bobina.
Figura 9. Esquema de un contacto de retención.
En la figura 10, podemos ver esquema de conexión en "bloqueo mutuo". Consiste en poner en
serie con la bobina de un contactor, un contacto normalmente cerrado del otro. Así, si un
contactor se activa su contacto normalmente cerrado se abre, antes de cerrarse su contacto
normalmente abierto, impidiendo la activación del otro contactor y el funcionamiento
simultáneo de dos contactores que nunca debería poder producirse . Un caso práctico se produce
cuando se arranca un motor trifásico en estrella triángulo, donde hay que asegurarse de que los
contactores correspondientes no estén activados simultáneamente, porque se produciría un
cortocircuito en la red. Igual ocurre en el caso de la inversión del sentido de giro de un motor.
Figura 10. Esquema de bloqueo mutuo.
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Guardamotor.
El guardamotor se utiliza para la protección del motor contra sobrecargas. Está constituido por
el acoplamiento de un contactor y de un relé térmico de protección. Este relé tiene dos partes
fundamentales:
a) Láminas bimetálicas como elementos de dilatación por intensidad/temperatura.
b) Mecanismo de desconexión o de disparo.
Las láminas bimetálicas se calientan al paso de la corriente del motor, de tal manera que cuando
alcanzan su temperatura de reacción se dilatan y disparan el mecanismo de desconexión. La
lámina está formada por dos metales de distinto coeficiente de dilatación.
La figura 3.6 representa la acción de las tres láminas bimetálicas (una por cada fase) sobre la
reglilla móvil, de tal manera que cuando se alcanza la intensidad límite del relé las láminas
desplazan la reglilla móvil y ésta a su vez hace abrir el contacto conmutado de la posición 4 que
conecta a la bobina del contactor, desconectándolo, y además si se pasa a la posición 30, puede
conectar una lámpara de señalización u ordenar el arranque de otro motor, etc.. Cada relé tiene
una gama de regulación para la intensidad. Una vez establecido el valor límite de la corriente de
regulación, se disparará en un tiempo que dependerá del valor de la intensidad que pase por él.
En la siguiente figura se dan curvas características de disparo de los relés térmicos utilizados en
las prácticas, siendo I la curva correspondiente a las láminas frías y II a las láminas calientes.
Figura 11. Relé térmico.
Como puede observarse, en la figura 12 cuando la intensidad que circula es el doble del valor de
regulación del relé, éste se dispara a los 60 segundos si están las láminas frías, y a los 40
segundos si están calientes.
Figura 12. Curvas de disparo de un relé térmico.
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El relé térmico protege al motor de una sobrecarga más o menos prolongada y para su actuación
requiere de un tiempo. Son relés de tiempo inverso, que quiere decir que a mayor sobrecarga,
menor tiempo de respuesta. Por tanto no se produce una desconexión instantánea, lo que indica
que este relé no protege al motor de un cortocircuito que provoca una intensidad instantánea
muy elevada y que precisa una desconexión también instantánea.
La protección de un motor contra un cortocircuito debe hacerse utilizando fusibles en las tres
fases que alimentan al motor, del tipo aM. Se pueden sustituir a los fusibles por un interruptor
magnetotérmico, también de acción instantánea.
En la figura 13 se muestra el esquema eléctrico del relé térmico, donde las láminas bimetálicas
están intercaladas en la línea que alimenta el motor o circuito de fuerza motriz o principal,
conectándose a éste por las bornas U, V y W.
3
u v w
4
30
Figura 13. Esquema eléctrico de un relé térmico.
2.2. Introducción a la corrección del factor de potencia
Todas las máquinas eléctricas alimentadas con corriente alterna (motores, transformadores,..) así
como otros receptores (reactancias, bobinas, …) necesitan para su funcionamiento dos tipos de
energía:
•
Energía activa: es la que se transforma, íntegramente en trabajo o en calor (pérdidas) y
se mide en kW.h.
•
Energía reactiva: se pone de manifiesto cuando existe un trasiego de energía activa
entre la fuente y la carga. generalmente está asociada a los campos magnéticos
internos de las máquinas y receptores y se mide en kVAr.h. Como ésta energía
provoca sobrecargas en los generadores, transformadores y líneas , sin producir un
trabajo útil, es necesario neutralizarla o compensarla.
Los condensadores generan la energía reactiva consumida por dichas cargas, evitando la
sobrecarga de la instalación.
Al instalar condensadores, se reduce el consumo total de energía (activa+reactiva), por lo que se
consiguen las ventajas de todos conocidas.
2-2.1.Cálculo de la potencia reactiva de batería y condensadores.Para ello es necesario conocer:
•
•
•
La potencia activa consumida en kW.
El cos α inicial.
El cos α deseado
Si el régimen de funcionamiento no es dispar y se conocen las horas de funcionamiento, se
producen resultados aceptables a partir del recibo de la compañía eléctrica.
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Tanto el motor universal como el motor trifásico son motores inductivos, luego para corregir el
factor de potencia tendremos que conectar condensadores en paralelo. de capacidad apropiada.
a.- Para el motor monofásico
Tenemos un receptor monofásico con un triángulo de potencias inicial: P1; Q1; S1; y factor de
potencia inicial cos α 1 . Se quiere mejorar el factor de potencia del motor añadiendo condensadores
hasta un valor cos α 2 manteniendo la misma potencia activa P2=P1; Q2; S2; Para saber el
condensador que hay que añadir habrá que calcular en primer lugar la potencia reactiva que nos
tiene que proporcionar los condensadores Qc :
Q1
QC
S1
α1
S2
α2
Q2
P1=P2
Qc = P (tg α 1 - tg α 2 ) = U2 w C
C=
Qc
U2w
Siendo: U tensión a la que están sometidos los condensadores en voltios; C capacidad de los
condensadores en faradios; w pulsación que es igual a 2 π f; f frecuencia (50 Hz)
b- Para el motor trifásico
El problema se resuelve con el mismo procedimiento anterior. Al ser el motor equilibrado, el
sistema de condensadores que hay que añadir también lo será, luego si el problema lo
planteamos: dado un receptor trifásico equilibrado con unas características iniciales de trabajo: P1;
Q1; S1; cos α 1 y queremos mejorar el factor de potencia del motor hasta un valor cos α 2 añadiendo
condensadores, manteniendo la misma potencia activa P2=P1; Q2; S2. Al hacer el estudio con las
potencias tenemos el triángulo de potencias anterior, pudiendo ser para una fase o para las tres
fases., tendremos los mismos resultados, sólo que para las tres fases será 3 veces más grande. Si
ponemos los valores de la potencia total activa del motor obtendremos la potencia reactiva total
trifásica a aportar; si ponemos la monofásica, el resultado lo multiplicamos por 3 y obtendremos lo
mismo.
Q1= P1 tg α 1
Q2= Q1-Qc= P2 tg α 2 = P1 tg α 2
Luego, la potencia reactiva total que hemos de aportar a la red será
Qc = P (tg α 1 - tg α 2 ) = 3 Uc2w Ci
siendo Uc la tensión a la que está sometido cada condensador; w la pulsación y Ci la capacidad de
cada condensador.
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a.- Si los condensadores los conectamos en asociación triángulo:
La tensión Uc coincide con la tensión de linea U del sistema trifásico, por lo que la capacidad de
cada condensador será:
Ct =
Qc
3U2 w
b.- Si los condensadores los conectamos en asociación estrella:
La tensión Uc coincide con una tensión de fase U´ del sistema trifásico, por lo que la capacidad de
cada condensador será:
Ce =
Qc
2
⎛ U⎞
3⎜ ⎟ w
⎝ 3⎠
=
Qc
U2 w
Luego, para obtener la misma potencia reactiva, si ponemos los condensadores en asociación en
estrella necesitaremos condensadores tres veces mayores que si los montamos en triángulo.
3.- MATERIAL
- Motor trifásico
- Motor monofásico
- Contactores
- Guardamotores
- Pulsadores para maniobrar.
- Aparatos de medida: voltímetro, amperímetro, fasímetro, vatímetro.
- Condensadores: 3µF; 9µF.
4.- RELIZACIÓN PRÁCTICA
a.-) Un motor monofásico
En primer lugar mediremos el factor de potencia de dicho motor funcionando en vacío, para ello
se realizará el montaje del esquema 1. Donde anotaremos las lecturas de los aparatos que
tenemos conectados: voltímetro (V), amperímetro(A), fasímetro (cosα) y vatímetro (W). Con
estos valores podremos calcular el triángulo de potencias del motor funcionando en vacío.
Para corregir el factor de potencia del motor le vamos a ir añadiendo condensadores de distintas
capacidades según el esquema 1; concretamente:
1.-Tres condensadores en serie de 9 microfaradios cada uno.
2.-Dos condensadores en serie de 9 microfaradios cada uno.
3.-Dos condensadores en serie entre sí con uno en paralelo de 9 microfaradios cada
uno.
4.-Uno en paralelo de 9 microfaradios cada uno.
5.-Dos en paralelo de 9 microfaradios cada uno.
Para cada una de estas asociaciones anotaremos las lecturas de los aparatos que tenemos
conectados: voltímetro (V), amperímetro(A), fasímetro(cosa) y vatímetro (W) en la tabla
siguiente:
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Vacio
3 Serie
2Serie
2 S 1P
1 Parl.
2 Parl.
V(V)
I(A)
cos α
P(W)
Q(VAr)
S(VA)
Se pide realizar por el alumno:
a.) Calcular y representar el triángulo de potencias del motor en vacío (condiciones
iniciales)
b.) Calcular y representar el triángulo de potencias del motor una vez que se le han
añadido las distintas asociaciones de condensadores. ¿Qué capacidad de condensador
será la solución más idónea para mejorar el factor de potencia de este motor?
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b.-) Un motor trifásico funcionando en estrella y en triángulo.
De la misma forma que en el caso anterior en primer lugar mediremos el factor de potencia del
motor trifásico en triángulo y en estrella (receptor equilibrado) funcionando en vacío.
Anotaremos las lecturas de los aparatos que tenemos conectados: voltímetro (V),
amperímetro(A) y fasímetro (cosα). Con estos valores podremos calcular el triángulo de
potencias del motor funcionando en vacío.
Para corregir el factor de potencia tanto del motor trifásico funcionando en estrella como en
triángulo le vamos a conectar en primer lugar una asociación de condensadores en estrella
como se indica en el esquema 2. Y luego los mismos condensadores conectados en triángulo se
lo asociaremos al motor trifásico como indica el esquema 3.
Concretamente tendremos los siguientes casos:
1.-Motor trifásico en estrella y condensadores en estrella.
2.-Motor trifásico en estrella y condensadores en triángulo.
3.-Motor trifásico en triángulo y condensadores en estrella.
4.-Motor trifásico en triángulo y condensadores en triángulo.
Para cada una de estas asociaciones anotaremos las lecturas de los aparatos que tenemos
conectados: voltímetro (V), amperímetro(A) y fasímetro(cosα) en la tabla siguiente:
Vacío
estrella
Vacío
Me-Ce
triángulo
Me-Ct
Mt-Ce
Mt-Ct
V(V)
I(A)
Cos α
Se pide realizar por el alumno:
a.)Calcular y representar el triángulo de potencias del motor trifásico en estrella y en
triángulo funcionando en vacío (condiciones iniciales)
b.)Calcular y representar el triángulo de potencias de los motores en estrella y en
triángulo una vez que se le han añadido las distintas asociaciones de condensadores.
¿Qué relación entre las capacidades de los condensadores puedes sacar al asociar en
estrella o en triángulo los condensadores con el motor trabajando en triángulo?. ¿Y en
estrella?.
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Esquema 1. Fuerza y mando para la corrección del factor de potencia del motor
monofásico.
14
Esquema 2.Fuerza y mando para la corrección del factor de potencia del motor trifásico
funcionando en estrella o triángulo con una batería de condensadores en estrella.
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Esquema 3.Fuerza y mando para la corrección del factor de potencia del motor trifásico
funcionando en estrella o triángulo con una batería de condensadores en triángulo.
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